POLUPROVODNICI (POLUVODIČI) - SVOJSTVA I PRIMJENA

1. POLUPROVODNICI (POLUVODIČI) - SVOJSTVA I PRIMJENA Prof. Dr. Vlado Madžarević mr. Mensur Kasumović

2. PODJELA POLUVODIČKIH MATERIJALA • Poluvodički materijali imaju električnu otpornost između 10-5m i 104m. Posjeduju negativni temperaturni koeficijent otpora. Nosioci električne struje kod poluvodiča • su elektroni i šupljine. • Poluvodički materijali mogu se podijeliti • na: • prirodne elemente, • prirodne hemijske spojeve (i legure), • umjetno načinjene spojeve (keramika).

3. PODJELA POLUVODIČKIH MATERIJALA • U drugu grupu poluvodičkih materijala spadaju: • oksidi (bakarni oksidi Cu2O, Fe3O4), • sulfidi (PbS, CdS, ZnS), • selenidi (InSe), • teluridi, • karbidi (SiC), • fosfidi, • neke legure metala. • Keramički poluvodiči tvore se, najčešće, od karbida silicija, karbida bora i ugljika, pomiješanih s keramičkom izolacionom masom. • Karakteristike elemenata i sklopova izrađenih od poluvodičkih materijala su: • - dug vijek trajanja, - mala zapremina, • - mala težina, - relativno jednostavna izrada, • - velika mehanička čvrstoća, - ekonomična izrada. • snaga napajanja je neznatna,

4. Na početku razvoja poluvodičke tehnologije osnovni materijal koji se koristio bio je germanij (1948. - 1960. godine). Međutim, najintenzivniji razvoj poluvodičke tehnologije, posebno mikroelektronika, je doživjela otkrićem planarnog postupka kod kojeg je temeljni materijal silicij. Od 1979. godine mnogo pažnje posvećeno je galijum-arsenidu, koji je još uvijek jako perspektivan poluvodički materijal. Kako velik broj poluvodiča spada u treću grupu, odnosno umjetno stvorene spojeve, razrađeno je više načina kojima se dobiva monokristal, odnosno postupaka rasta monokristala (postupak Czochralskog, postupak lebdeće zone, Bridgemanov postupak, itd.). Monokristali poluvodiča su najčešći oblik u kojem se poluvodički materijali koriste. Rastom se dobivaju monokristali u obliku štapa, iz kojih se rezanjem dolazi do wafera (tankih pločica). One mogu poslužiti kao klica za rast kristala epitaksijalnim postupkom. Homoepitaksijom se naziva postupak rasta kod kojeg su klica i kristal koji raste iz istog materijala. Tada se klica naziva supstratom. Ako na supstratu raste materijal nekog drugog tipa, ali s istim tipom kristalne rešetke, tada se radi o heteroepitaksiji. PODJELA POLUVODIČKIH MATERIJALA

5. PRINCIP VOĐENJA STRUJE U POLUVODIČIMA, TIPOVI POLUVODIČA Atomi poluvodičkih materijala spajaju se kovalentnim vezama, tvoreći parove elektrona zajedničkih za oba atoma. Takve veze su čvrste. Pri temperaturi apsolutne nule nema slobodnih elektrona. Pri povećanju temperature neke se veze kidaju i postoji određeni broj slobodnih elektrona. Tada, uz djelovanje električnog polja dolazi do određene provodnosti strukture. Dodavanjem petovalentne primjese (npr. azot, fosfor, arsen, antimon) u čisti monokristal germanija ili silicija (četverovalentni) primjesa će se kovalentnim vezama vezati sa četiri susjedna Si ili Ge atoma, a peti elektron primjese ostaje slobodan. Usljed termičkog kretanja slobodni elektroni, dobijeni na takav način, kretati će se kroz kristalnu strukturu haotično, a pri djelovanju vanjskog električnog polja proticaće električna struja. Ovako dobiveni poluvodič naziva se poluvodičem N-tipa (negativnog tipa), jer u njemu električnu struju uzrokuje kretanje slobodnih elektrona. Petovalentni atom primjese naziva se donor (davalac). Donorske primjese uzrokuju postavljanje elektrona u područje slobodnih energetskih nivoa, što olakšava oslobađanje elektrona.

6. PRINCIP VOĐENJA STRUJE U POLUVODIČIMA, TIPOVI POLUVODIČA Dodavanjem trovalentne primjese (npr. indij, bor, galij) u čisti monokristal četverovalentnog germanija ili silicija jedna kovalentna veza neće biti ostvarena. Tu nastaje tzv. šupljina. Šupljinama se kao nosiocima električne struje pridaje pozitivan karakter. Tako nastajeP-tip poluvodiča (pozitivan tip), jer su glavni nosioci električne struje šupljine. Trovalentni atom primjese naziva se akceptor (primalac). Akceptorske primjese stvaraju u poluvodiču dopunske slobodne energetske razine na koje mogu preći elektroni iz popunjenog valentnog pojasa ostavljajući iza sebe šupljine.

8. PRINCIP VOĐENJA STRUJE U POLUVODIČIMA, TIPOVI POLUVODIČA Primjese unose nove energetskenivoe u zabranjenuzonu i time značajno utiču na provodnost poluvodiča. Poluvodiči u kojima se elektroni i šupljine stvaraju u paru nazivaju se intrinsični (unutarnji) poluvodiči. Takvi poluvodiči su samo ako je materijal čist (bez primjesa). Poluvodiči u kojima ima i primjesa nazivaju se ekstrinsični (vanjski) poluvodiči. U poluvodiču s primjesama postoje slobodni nosioci elektriciteta (elektroni i šupljine) i vezani nosioci elektriciteta: joni primjesa (negativni akceptori i pozitivni donori). Nosiocielektriciteta mogu biti većinski i manjinski. U N-tipu poluvodiča većinski nosioci su elektroni, a manjinski šupljine. U P-tipu poluvodiča većinski nosioci su šupljine, a manjinski elektroni. U poluvodičima s velikim brojem primjesa može doći do preklapanja energetskihnivoa, te im svojstva postaju slična metalima. To su tzv. degenerirani poluvodiči.

9. POJAVE U POLUVODIČIMA U poluvodičima se javljaju: - termoelektrične pojave: - Seebeckov efekat, - Peltierov efekat, - Thomsonov efekat, - elektromagnetske i termomagnetske pojave: - Hallov efekat, - Ettingshausenov efekat, - Nernstov efekat, - Righi-Leducov efekat, - fotoelektrične pojave: - fotoprovodnost, - fotonaponski efekat, - elektroluminescencija, - piezoelektrične pojave: - piezoelektrični efekt.

10. Termoelektrične pojave - Seebeckov efekat Seebeckov efekat je pojava termoelektromotornog napona na krajevima poluvodiča koji su na različitim temperaturama. Može se kazati da se pojava direktnog pretvaranja toplotne u električnu energiju naziva Seebeckovim efektom. Efekat se opisuje izrazom: U = 2 - 1 gdje je - koeficijent termoelektromotornog napona. Seebeckov efekat se pojavljuje i kod metala, međutim kod poluvodiča je mnogo izrazitiji jer se koeficijent kreće od 100 - 1000 V/K. U N-tipu poluvodiča na toplijem kraju dolazi do jačeg termičkog kretanja elektrona koji počinju da se kreću prema hladnijem kraju. Stoga se na hladnijem kraju pojavljuje višak elektrona, što dovodi do pojave razlike potencijala između krajeva poluvodiča. Kod N-tipa poluvodiča termoelektromotorni napon ima smjer od hladnijeg prema toplijem kraju. U P-tipu poluvodiča termoelektromotorni napon ima smjer od toplijeg prema hladnijem kraju. Seebeckov efekat se može koristi i za eksperimentalno određivanje tipa poluvodiča.

11. Termoelektrične pojave - Peltierov efekat (kontaktni elektromotorni napon) Ukoliko dva vodiča ili poluvodiča formiraju električni krug kojim protiče električna struja I, osim pojave Jouleovihgubitaka (toplote), na spojevima se oslobađa ili apsorbira toplota Q iznosa: Q =  I t gdje je  Peltierov koeficijent, I jačina električne struje, a t vrijeme proticanja električne struje. Ukoliko se spoj na kojem se oslobađa toplota drži na konstantnoj temperaturi drugi će se spoj hladiti sve dok količina toplote dovedena iz okoline i količina toplote dovedena kroz vodiče električnog kola ne postanu jednake Peltierovoj toploti. To je princip termoelektričnog hlađenja. Kod ovog efekta se radi o pretvaranju električne energije u toplotnu.

12. Termoelektrične pojave - Thomsonov efekat Ako u poluvodičkom materijalu, kojim protiče istosmjerna struja I, između tačaka A i B, postoji temperaturna razlika , onda će se u tom materijalu oslobađati ili apsorbirati, ovisno o smjeru električne struje, toplotna energija iznosa: QT = I t  gdje je - Thomsonov koeficijent, a t vrijeme proticanja električne struje. Kad se elektroni kreću iz toplijeg u hladniji dio uzorka poluvodičkog materijala elektroni predaju energiju susjednim atomima, te se materijal uzorka zagrijava. U suprotnom smjeru elektroni povećavaju svoju energiju na račun energije susjednih atoma, te dolazi do apsorpcije toplote. Svi nabrojani efekti imaju veliku primjenu kod mjerenja temperature termoelementima, pri termoelektričnoj konverziji energije, pri radu elemenata za grijanje i hlađenje na temelju Peltierovog efekta, itd.

13. Elektromagnetske i termomagnetske pojave - Hallov efekt Ukoliko se poluvodič nalazi u električnom polju, ono će uzrokovati protok električne struje gustine J. Ako okomito na smjer tog polja djeluje magnetsko polje indukcije B, javlja se, transverzalno na oba polja, novo električno polje jačine: E = RH J B gdje je RH Hallova konstanta.

14. Elektromagnetske i termomagnetske pojave - Hallov efekt Usljed djelovanja vanjskog električnog i magnetskog polja većinski nosioci će se kretati prema graničnim površinama poluvodiča i tu se nagomilavati. Električno polje koje nastaje zbog razlike potencijala na graničnim površinama djelovaće na ostale nosioce elektriciteta silom koja je suprotna sili zbog djelovanja magnetskog polja (Lorentzova sila). Kako je sila nastalog električnog polja jednaka po iznosu, a suprotnog smjera od sile magnetskog polja, vrijedi: QE = QvB Kako je E = U/d, a gustina električne struje J = -nev ako su nosioci električne struje elektroni, ili općenito J = nQv, uvrštavajući te izraze u prethodni izraz, dobija se:

15. Elektromagnetske i termomagnetske pojave - Hallov efekt • , gdje je UH Hallov napon, tj. razlika potencijala između gornje i donje strane pločice. Izražavajući Hallovu konstantu i zamjenom izraza za B, slijedi: • Izražavajući brzinu preko gustine struje i elektriciteta, dobija se: • Hallova konstanta nije stalna veličina. Ovisi i o temperaturi i o vrsti primjesa u materijalu. Efekat se iskorištava pri određivanju fizikalnih svojstava poluvodiča, pri mjerenju magnetske indukcije B, a može se koristiti i za određivanje koncentracije i pokretljivosti nosioca elektriciteta. • Uz izmjeren Hallov napon i poznatu gustinu električne struje (J) i elektricitet (nQ), određuje se magnetska indukcija B. Hallova sonda, kojom se određuje magnetska indukcija, može se napraviti vrlo malenom, pa je moguće precizno mjeriti magnetsku indukciju gotovo od tačke do tačke.

16. Elektromagnetske i termomagnetske pojave - Ettingshausenov, Nernstov, Righi-Leducov efekat • Ettingshausenov efekt je pojava transverzalnog temperaturnog gradijenta kad se poluvodič nalazi u električnom i magnetskom polju. Iznos transverzalnog temperaturnog gradijenta je dat relacijom: • = P J B • gdje je P Ettingshausenov koeficijent. • Nernstov efekt je pojava da se uz magnetsko polje koje je okomito na smjer temperaturnog gradijenta koji uzrokuje tok toplote Q transverzalno javlja termoelektrični napon iznosa: • E = N B • gdje je N Nernstov koeficijent. • Righi-Leducov efekt je pojava da se uz Nernstov efekt javlja i transverzalni temperaturni gradijent iznosa:

17. Fotoprovodnost je pojava povećanja električne provodnosti poluvodiča pod uticajem svjetlosti (ili općenito, elektromagnetskog zračenja). Zbog međudjelovanja fotona i kristalne rešetke povećava se broj slobodnih nosilaca elektriciteta. To je u stvari i princip rada fotootpornika. Najčešće se za ove svrhe koriste: germanij, silicij, kadmijev sulfid (CdS), olovni sulfid (PbS), olovni selenid (PbSe) i cinkov sulfid (ZnS). Fotonaponski efekat je pojava električnog napona na krajevima poluvodiča (odnosno PN prelaza) zbog apsorpcije svjetlosti u poluvodiču. Uslijed apsorpcije svjetlosti stvaraju se elektroni i šupljine. Oni se mogu razdvojiti pomoću unutrašnjeg električnog potencijala koji već egzistira u PN prelazu. Zbog toga dolazi do smanjenja unutrašnjeg potencijala što se iskazuje kao fotonapon. Taj fotonapon može kroz vanjsko električno kolo uzrokovati proticanje električne struje. Kod ove pojave se radi o pretvorbi svjetlosne energije u električnu. To je zapravo i osnova rada solarnih ćelija. U početku se za njihovu izradu koristio selen, a poslije je prevladao silicij. Luminescencija podrazumijeva sve pojave svijetljenja koje nisu uzrokovane samo porastom temperature. Ako je kraćeg trajanja naziva se i fluorescencijom, a ako je dužeg trajanja fosforescencijom. Elektroluminescencija je oblik luminescencije koja je izazvana kretanjem elektrona. Najčešće se radi o elektronima koji su ubrzani električnim poljem i koji udarom pobuđuju luminescentne materijale. Elektroluminescencija je u suštini pretvorba električne energije u svjetlosnu. Osnova je rada svjetlećih (LED) dioda. Najčešće korišteni fluorescentni materijali su: sintetički vilemit, kalcijev i kadmijev volframat, cinkov fosfat, cinkov sulfid i kadmijev sulfid. Fotoelektrične pojave

18. Piezoelektrične pojave Piezoelektrični efekat je pojava stvaranja električnog naboja na površini posebno odrezanog kristala koji je elastično deformisan vanjskom silom. Jedna strana (površina) tog kristala naelektrisaće se negativno, a druga pozitivno. Dakle, kristal postaje električno polariziran. Polarizacija kristala je najveća kada je naprezanje usmjereno u pravcu piezoelektrične ose kristala. Promjenom smjera deformacije dolazi do polarizacije obrnutog smjera. Piezoelektrični efekat otkrili su 1890. godine Jacques i Pierre Curie. Koristi se u senzorima pritiska. Najznačajniji piezoelektrični materijali su kvarc (SiO2), Seignettova sol i turmalin, a u novije vrijeme piezoelektrične keramike.

19. Ispravljači od germanija i silicija Ispravljači od germanija i silicija - kristalne diode (poluvodičke diode) nastaju spajanjem dva tipa poluvodiča, N i P tipa, unutar istog kristala. Tako nastaje PN spoj. Na graničnoj površini dolazi do izraziterazlike potencijala (potencijalna barijera). Ovisno o polaritetu izvana priključenog napona potencijalna barijera se može povećati ili smanjiti, odnosno može se povećati ili smanjiti otpor diode. Zbog toga je strujno-naponska karakteristika kristalne diode ovisna o polaritetu priključenog napona, odnosno, izražen je efekat ispravljanja. Kad je N kraj priključen na negativni, a P kraj na pozitivni napon, PN spoj je propusno polariziran i tada je otpor diode malen, reda veličine . Kad je polaritet suprotan PN spoj je u nepropusnom (zapornom) stanju, a otpor je reda veličine M. Diode se izrađuju i za slabe, ali i za jake struje. Germanijeve diode mogu biti napravljene i za struje od nekoliko stotina ampera. Kod manjih struja hlade se zrakom, a kod većih struja vodom.

20. POLUVODIČKI MATERIJALI ZA NELINEARNE OTPORNIKE Neki poluvodički materijali pokazuju značajnu nelinearnost strujno - naponskih karakteristika. Od značaja su oni kojima otpor ovisi o temperaturi R = f(T) i o naponu R = f(U). Termistori su nelinearni otpornici kojima otpor ovisi o temperaturi. Ovakvi poluvodički otpornici imaju negativan koeficijent otpora ( se kreće od - 0,04 K-1 do - 0,06 K-1). Nazivaju se NTC otpornici s negativnim koeficijentom otpora (postoje termistori i s pozitivnim temperaturnim koeficijentom - PTC). Izrađuju se od oksida: CuO, NiO, MnO, MgO + TiO2, Fe2O3. Termistori imaju primjenu pri regulaciji napona, detekciji promjena napona, mjerenju i regulaciji temperature, u mjernim uređajima, itd. Nelinearni otpornici kojima otpor ovisi o priključenom naponu zovu se varistori ili VDR (voltage dependent resistor). Uglavnom se izrađuju iz silicijevog karbida (SiC). Primjenjuju se pri stabilizaciji napona, modulaciji struje, za zaštitu od prenapona, itd.